삽입손실

삽입손실은 신호 경로에 케이블이나 커넥터, 필터, RF 스위치, 감쇠기 등 부품을 삽입했을 때 입력 신호가 출력까지 전달되는 과정에서 줄어드는 정도를 나타내는 값으로, 보통 dB 단위로 표현된다. RF 관점에서는 입력 포트로 들어간 전력이 출력 포트로 얼마나 전달되는지를 보는 개념이며, S21이 음수일 때의 손실을 양의 값으로 말한다. 예를 들어 S21이 -1 dB이면 삽입손실은 1 dB이다. 삽입손실은 신호가 부품을 통과하며 감소하는 정도로 이해되며, S21은 전달 특성이고 삽입손실은 그 전달 과정에서 발생한 손실량이다.

삽입손실은 입력 전력과 출력 전력의 비율로 정의되며, 예를 들어 삽입손실이 3 dB이면 출력 전력은 입력 전력의 약 절반으로 감소한다. 다양한 값에 따른 전력 전달 비율은 대략 0.5 dB에서 약 89%, 1 dB에서 약 79%, 2 dB에서 약 63%, 3 dB에서 약 50%, 6 dB에서 약 25%, 10 dB에서 약 10%로 나타난다. 따라서 RF 시스템에서 1 dB의 손실도 무시하기 어렵다.

삽입손실이 발생하는 위치는 RF 경로의 거의 모든 수동 부품에 해당한다. 케이블 도체 손실, 유전체 손실, 커넥터 접촉 저항, 필터의 ESR, Q 한계, 매칭 손실, RF 스위치의 내부 저항, 분배기/결합기의 손실, PCB 트레이스의 손실, 표피효과, 안테나 매칭 회로의 L/C 손실 등이 대표적이다. 주파수가 올라갈수록 기생 성분의 영향이 커지므로 고주파 설계에서 삽입손실 관리의 중요성이 커진다.

삽입손실의 중요성은 링크 버짓에 직접 반영된다. 수신전력을 결정하는 수식에서 삽입손실은 경로 손실과 함께 고려되며, 예시로 필터 1 dB, RF 스위치 0.5 dB, 케이블 1.5 dB를 합치면 3 dB의 삽입손실이 되며, 이는 전력의 절반가량이 손실되는 수준이다. 삽입손실이 커지면 통신 거리 감소, 수신 마진 감소, 수신 감도 악화, 송신 출력 증가 필요, 배터리 소모 증가, 시스템 안정성 저하 등의 문제가 생긴다. 수신단에서는 LNA 앞단의 삽입손실이 NF를 악화시켜 전체 수신 감도를 약 2 dB 정도 낮출 수 있다.

송신단에서도 삽입손실이 커지면 실제 안테나로 전달되는 전력이 감소하고, 동일 이득의 EIRP를 유지하려면 PA 출력을 더 올려야 하는 등 추가 손실과 발열, 효율 저하가 발생한다. 따라서 배터리 기반 무선기기나 고출력 송신기의 설계에서는 삽입손실 최소화가 필수적이다. 필터 설계에서는 선택도와 삽입손실의 트레이드오프가 존재하는데, 차수를 높이거나 스커트를 날카롭게 하면 삽입손실과 다른 특성들이 증가하는 경향이 있어 현실적인 최적점 탐색이 필요하다.

고속 디지털과 광통신에서도 Eye Diagram, Jitter, BER에 삽입손실이 영향을 준다. 주파수가 증가할수록 케이블이나 PCB 트레이스의 손실이 커지며 신호의 상승/하강 에지가 둔해져 Eye Diagram이 닫히고 성능 저하가 발생한다. 손실 전력은 열로 변환되며, 고출력 시스템일수록 발열과 신뢰성 문제가 커진다. 따라서 삽입손실은 링크 버짓, Noise Figure, 출력 전력, 열 설계, S-Parameter, PCB 레이아웃 등과 함께 면밀히 검토되어야 한다.

삽입손실의 계산 예시를 보면 송신 경로에서 PA 출력 30 dBm에 필터 1 dB, RF 스위치 0.5 dB, 케이블 1.5 dB를 차감하면 안테나 입력 전력은 27 dBm이고, 여기에 2 dBi의 안테나 이득이 더해져 EIRP는 29 dBm이 된다. 수신 경로에서는 예를 들어 필터 1.5 dB와 RF 스위치 0.5 dB를 앞단에 두면 총 손실은 2 dB로 수신 신호를 약하게 만들고 NF를 약 2 dB 악화시킨다. 삽입손실은 S21으로 주로 확인되며, 측정 시에는 50 Ω 매칭 여부와 주파수별 특성, 기준면-Calibrations, Return Loss와의 관계를 함께 점검한다. 최종적으로 삽입손실은 RF 시스템의 송신 출력, 수신 감도, 열 신뢰성, 통신 품질을 동시에 좌우하는 핵심 손실 항목으로 간주되며, 설계 시에는 손실 최소화와 함께 필요한 억제 수준, 대역폭 요구, 시스템 비용 사이의 균형을 찾는 것이 중요하다.